1、浅谈TP 2铜管水平连铸操作过程控制浙江海亮股份有限公司 俞国强 周俊芳 王云龙水平连铸是铸轧法生产铜管的非常重要的环节。随着原材料电解铜价格飞涨，各个企业都感受到前所未有的成本压力。水平连铸质量不好，那么在后续行星轧制将很难生产优质产品，另外水平连铸好坏与操作者的技术水平有相当大的关系，因此提高水平连铸的操作水平就显得尤为重要。本文将就 TP 2水平连铸铜管的操作方面需要注意的问题进行探讨。目前用于水平连铸生产铜管的连铸机有很多形式，但就组成来讲都是基本相同，不外乎由以下几个部分组成（见图 1）。炉体支撑设备(电炉炉体)、结晶器及冷却装置，铜管坯夹持设备及拉坯设备;定尺带锯切割设备。 图 1
2、 水平连铸铜管设备结构图 图 2 引锭头安装示意图连铸机运行好坏与操作者的操作密切相关。掌握正确的操作方法，学会常见故障的处理，这对水平连铸铜管的正常生产、提高连铸作业率和质量是至关重要的。 1 浇注前检查从理论上来讲水平连铸可以浇铸无限长的铜管，但是由于工模具质量的限制造成连铸一定时间必须要更换铸造模具，因此每次更换模具后必须进行浇铸前的检查。水平连铸作业由于浇铸作业前应从以下几个方面进行重点检查 1.1 了解熔化炉和保温炉内铜水准备情况。 对浇铸前铜水的化学成分进行光谱分析，由于光谱仪及取样位置存在误差，难免造成测量误差 ， 因为国家标准中对磷含量有严格控制在（0.150.40）之间的要求
3、。如果将公差范围缩小到(0.230.32)之间。那么最终产品的化学成分都是合格产品。1.2 检查熔化炉和保温炉内铜水液面的高度，由于刚开始铸造，保温炉内铜水超过铸模上部 15 厘米，这样可以保证开始铸造时的静压力，另一方面如果出现漏铜事故可以快速处理，当铸造稳定后熔化炉加料，逐渐提高液面高度。 1.3 检查熔化炉与保温炉覆盖保护剂渣是否符合工艺要求。 水平连铸铜管熔化炉采用经过烘干的木炭覆盖，保温炉采用片状石墨做为覆盖剂。覆盖保护主要目的是防止铜水与外界空气相接触，铜水在 1140时极易吸收空气中的水分，这些水分经过高温会分解成氢气和氧气，在浇铸出来的铜管断面产生气孔等缺陷。1.4 检查浇铸模
4、具是否达到工艺要求。在配模完毕后必须对一次冷却水套进行水压试验，检验耐高温橡胶圈密封情况，当这个橡胶圈密封出现问题，一次冷却水会落入铜水中造成爆炸事故。 1.5 检查一次冷却水、二次冷却水、线圈水套冷却水使用是否正常，是否达到工艺要求压力。在生产实践中发现大约 85%的漏铜事故是与冷却水出现问题有关，当浇铸冷却水突然变小，这样就降低冷却强度，通过一次冷却后的管坯处于红热状态直接进入二次水冷，由于体收缩强度过大，可能会将管坯拉裂造成漏铜事故。1.6 检查水平连铸牵引机是否按照设定程序进行动作。 由于水平连铸机构采用计算机辅助操作，计算机按照事先设定好的程序工作。但是这些程序没有事先固化在系统中，
5、为监视工艺操作，需要定时使用优盘对系统内部数据库进行存取，这样就会使操作系统带入计算机病毒，而牵引机厂家提供操作系统没有杀毒软件，当计算机操作系统被病毒感染后，就会出现设定程序紊乱。因此在必要的情况下对引锭杆进行模拟试车来检查连铸设备运行情况。 1.7 检查各种控制、监视、长度测量系统是否正常工作。 1.8 检查带锯锯齿磨损情况，以及液压机构，润滑系统工作情况。 1.9 检查引锭头安装每次换模后在浇注之前都要进行引锭头的安装操作。将表面残留铜屑清理干净的引锭头插人结晶器，对于潮湿的引锭杆要用压缩空气吹干或烘干。引锭头的空心部分要伸结晶器底部。为防止铜液外漏以及铸锭偏心，引锭头空心部分和结晶器壁
6、之间的缝隙必须大小均匀。填好后引锭杆头部决不能下滑，等待浇铸。 将新更换的模具一定要进行烘烤，确认模具与炉体之间的结合面料均已经干燥后，可以放下炉体，以保证铜水与引锭头头部紧密相接，为下一步启铸做准备。2 启铸过程控制要点当以上浇铸前检查完成后，立即打开一次冷却循环水，目的在于防止将耐高温橡胶圈融化。接到启铸命令后，首先将熔化炉电压接到全压位置，提高保温炉内铜水温度，当加热温度达到1180，打开牵引机构，设定低速牵引，在牵引过程密切关注铜与引锭头结合情况，当确认铜与引锭头完全结合后，打开二次冷却水，将一次冷却水压调大，加速铸锭冷却成型。随着引锭头全部通过牵引机后，锁紧牵引机构传动，使牵引滚轮直
7、接对铜管铸锭进行牵引，调整牵引机构速度，按照“进停退”工艺进行铸造。将熔化炉电压设定到保温状态，熔化炉加料进行降温，当保温炉热电偶显示温度已经降到 1130，调整一次冷却，二次冷却水压力，保证回水温度处于 35，开始进行正常浇铸。 2.1 启铸过程应该注意的问题 开浇到启铸拉坯的时间(称启铸时间)对保证不发生启铸漏铜十分重要。“启铸时间”的长短因引锭头与铜液结合程度有密切关系，因此注流的控制显得十分重要。在石墨结晶器外部铜液面周围形成的大的渣壳一定要扒除。不要把铜棍伸保温炉铜液中去，避免铜液面上有任何操作，同时满足“启铸时间”的规定时，即可按动启铸拉铸按钮，此时拉坯、喷淋水等系统开始运行，计算
8、和监控系统也都开始工作。从启铸拉速到规定的正常拉速，必须缓慢地按规定的增速要求来调整。此时也必须相应用手动调节注流量，当达规定的正常拉速后，即可转入自动控制。2.1.2 保证保温炉内液面平衡是保证铸坯质量和安全运行的重要条件。如果铜液面位置变化太大，会造成凝固过程混乱，同时不利在石墨结晶器内壁和管坯间形成外观均匀的锭坯，也不利于排除气体，会使铸坯产生环状凹陷（冷隔），造成铜管表面结疤。严重时会导致漏铜，液面太高也会烧坏铜管顶部与水套间的密封，甚至产生结晶器漏铜。 3 浇铸过程控制点3.1 液穴深度的控制水平连铸 TP2 铜管在结晶器内冷凝成型（见图 3），95%凝固潜热由冷却水带走，二次冷却占
9、到这部分的 75%，因此冷却水在一次冷却器内循环流动是维持结晶器正常工作是形成一定的凝固坯壳的必要条件。从铜液进入结晶器时起到管坯冷却，先后受到两次冷却作用，即一次冷却和二次冷却，管坯凝固后，它本身也要传导和放出一部分热量，从水平连铸铜管冷却曲线可以看到从液面到液穴底部的距离称为液穴深度，其冷却强度可以在液穴深度上进行控制，液穴深，铜液内冷凝过程铸锭容易产生气孔，夹杂，缩孔，裂纹等缺陷(见图 4)，也不利于补缩，进而恶化铸造管坯的质量，因此为提高铸造 TP2 铜管质量有必要对液穴深度进行控制。 图 3 铜管坯冷却示意图 图 4 管坯端面气孔图片 在一次冷却、二次冷却和管坯向周围的热散失三个渠道
10、中，一次冷却主要起到形成一层凝固外壳的作用，一次冷却水流量越大，带走的热量越多，当铸锭凝固时产生了体收缩，使得结晶器内壁与铜铸锭之间产生空气间隙，从而限制热传导，再增大水流量也不会使散热量增加，根据冷却方程可知，液穴越浅，表示结晶方向越接近单向结晶，即液相与固相的分界面越平坦。当铸锭体收缩完成之后，立即受到来自二次冷却段强烈地二次水冷作用，结晶过程继续向铸锭内部发展，直到管坯断面完全凝固，二次冷却的目的是在铸坯离开结晶器后，继续对铸坯进行冷却，直到完全凝固，然而一些固有的限制因素制约了凝固进程，如铸坯内部的热传导，喷淋水的冷却效率等，子区段，二次冷却水通过喷嘴后直接喷淋在铸坯表面上，一般情况下
11、二冷区的喷水量从结晶器出口开始沿着拉坯方向逐渐减少，而铸坯表面也沿着拉坯方向稳定地降低。二冷区的散热主要依赖铸坯壳内部热流的传导。在一定限度内，通过增大坯壳内部和外部的温度梯度可增加坯壳的散热。但过量的冷却水会导致坯壳内部的温度梯度过大，在坯壳内引起局部热应力而产向逐渐减少，而铸坯表面也沿着拉坯方向稳定地降低。二冷区的散热主要依赖铸坯壳内部热流的传导。在一定限度内，通过增大坯壳内部和外部的温度梯度可增加坯壳的散热。但过量的冷却水会导致坯壳内部的温度梯度过大，在坯壳内引起局部热应力而产生内部和表面裂纹。所以二次冷却不能太强但必须均匀冷却，防止局部过热。 根据测算，二次冷却导出热量占到金属冷凝全部
12、过程散热的 70-80%，二次冷却水量越大，水温越低，带走热量越多，液穴越浅平。对于水平连铸过程中根据冷却曲线可推出关于液穴深度的方程；公式 1 其中 h -液穴深度 （米）Q -铜的潜热 （千卡/千克）-铜的比重 （千克/米 3）B -铜管坯壁厚尺寸 米 V -水平连铸速度 （米u26102X）-铜的导热系数 （千卡/米u26102X） T3 -浇铸温度 （） T2-二次冷却水通过水量（立方米/小时）T1-次冷却水通过水量（立方米/小时）-修正系数 从公式 1，可以得到如下结论：1、 液穴深度与浇铸温度、一次冷却水量管坯壁厚，拉铸速度成正比。 2、与二次冷却水通过量成反比。 另外从对流传热的
13、原理可知，流体呈层流状态，其热交换条件差，热传递效果不好。因此冷却水在结晶器内的流动必须呈强制的紊流运动。 考虑到结晶器的冷却效率，重要的是流动也不能中断。否则会引起局部过热。因此要求结晶器冷却水能均匀地分配在结晶器管的周围。实践证明冷却水在水缝隙中的流速超过 0.3MPa 时就能保证水流的连续性。这也是当前工艺水平所必须的。研究结果表明:范围内结晶器铜壁的温度随冷却水流速的降低而升高。当水流速度不足0.2MPa 时，结晶器高温范围内铜壁处冷却水有沸腾现象。这种现象还与冷却铜套壁厚、铜水浇铸温度、片状石墨粉性能、石墨结晶器锥度等有很大关系。 3.2 拉速控制 水平连铸铜管一般采用“拉-停-退”
14、 ，“拉-停”两种工艺，铜管水平连铸机常采用预先设定固定拉速工艺，即正常拉铜时，不允许改变设定的拉速，并由自动化系统和计算机系统执行。拉坯速度的频繁变化，会造成凝固过程的频繁改变，液穴前后移动，使铸坯凝固组织恶化，严重影响铸坯质量，这也是造成漏铜事故的原因之一。当铸造铜管坯在成型过程检查发现外表面出现较深地横向裂纹，以及铸造管坯内孔尺寸不符合工艺要求时必须对拉速进行调整。 拉速的快速改变只有在出现故障时才能采用。在连铸过程中，拉速也必须保持平稳，这是稳定浇注的前提，也是保持结晶器液面稳定的先决条件。如果拉速改变，二次冷却区的冷却水量也要做相应的调整。控制拉坯速度的操作人员应和连铸各工位的操作员
15、人员随时保持联系。如果浇铸平台上出现任何非常情况需要改变浇注速度时，必须及时通知相关人员做各种相应的调整操作对于开浇、换模和浇注结束等操作不同铜水温度下的拉坯速度其拉速变化都要预先制定好拉速变化曲线，以供现场操作人员使用，并且将各种情况需要采取的措施对生产操作人员进行培训。3.3 浇铸温度控制在一般情况下，较高的铸造温度对改善铸锭表面质量是有利的，但是铸造温度过高，不仅会引起铜液大量吸气和氧化，而且在铸造过程还会导致液穴加深，液固过渡区变大，铸锭表面和内部温差增大，等弊病，对保证铸造管坯的内部质量不利。较低铸造温度，除有利于杜绝以上弊病，还有利于细化晶粒，加快铸造速度等，然而过低铸造温度容易将
16、石墨结晶器堵塞，过低铸造温度容易使管坯一冷外壳成型过早，在石墨套内表面产生纵向拉痕，并且引起管坯表面产生夹杂、冷隔、拉裂等缺陷。实践中在确认浇铸正常后，一般把保温炉温度调整到1140时即达到液相线以上 50为最佳温度。造成浇铸温度变化的主要因素有以下方面： 3.3.1 加料过程是否均匀稳定电解铜加入熔化炉中会吸收铜水的热量，降低浇铸温度，如果加料过程不均匀，连续加入多块电解铜，会显著降低保温炉内铜水的浇铸温度，因此要按照加料工艺均匀加入电解铜。 3.3.2 回料数量大部分回料都是拉伸过程的断管组成，这些短料经过打包机打包压缩制成，压缩后的打包回料空隙远大于电解铜板，这些回料加入熔化炉后熔化速度
17、远远小于电解铜板的熔化速度。回料加入会造成浇铸温度上下波动。3.3.3 牵引机设定程序牵引机牵引速度越快，从保温炉铜熔体内带走的热量就越多，如果熔化炉加料过快，炉体内的熔体温度会下降，也能引起浇铸温度的波动。 3.3.4 熔化炉熔化电压是否稳定水平连铸 TP2 铜管采用的熔化炉采用双熔沟电流控制，将两个熔沟调整有一定差距的电流，有利于两条熔沟内温度起伏加强熔化炉内铜液流动，均匀浇铸温度 3.3.5 结束语 本文就 TP2 水平连铸铜管的操作方面需要注意的问题进行探讨，目的提高水平连铸铜管的质量。由于本人水平有限，错误在所难免，有不到的地方请各位专家指正。 参考文献：1 马宗理，张金利，李德富等空调制冷铜管使用中的若干问题J制冷与空调，2003，3(4)：66-672陈存中主编 有色金属熔炼与铸锭 冶金工业出版社 1988 年 3 周文龙，许沂，张士宏，等铸轧法与挤压法生产紫铜管组织和性能对比分析J锻压装备与制造技术，2004(1)：3437 4中国有色金属加工协会，有色金属加工科技成果交流资料汇编，中国有色金属加工协会出版 19825 王乐俊铜管生产的工艺及其特点J上海有色金属，1999.20 (1)：2225 6 洪正军铸轧法在铜盘管加工工艺中的应用J湖南冶金， 2004，32(5)：39-4 (以上信息来源于铜加工研究)
